張李建　廉飛宇

摘要：生物傳感器由于具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。文章闡述了近年來(lái)生物傳感器技術(shù)在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、微生物檢測(cè)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了預(yù)測(cè)未來(lái)生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：生物傳感器；信息科學(xué)；生命科學(xué)；食品工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.027

1 概述

生物傳感器是信息科學(xué)與生命科學(xué)結(jié)合而快速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科。在生物研究范圍內(nèi)，有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的固形、液形、氣體形狀的各種物質(zhì)，生物學(xué)家們一直寄希望有一種快速便捷的方法來(lái)檢測(cè)這些物質(zhì)。生物傳感器正是這樣一種器件，它是由生物敏感材料來(lái)收集生物信號(hào)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化器將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后進(jìn)行處理。生物傳感器的設(shè)想是Clark和Lyons在1962年首次提出的，距今已有50多年的發(fā)展歷史。在這半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中，生物傳感器已經(jīng)給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了深刻的影響。本文介紹了近年來(lái)生物傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望。

2 生物傳感器的分類

2.1 根據(jù)生物物質(zhì)分類

根據(jù)傳感器中的敏感物質(zhì)及分子敏感識(shí)別元件可將其分為生物酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞傳感器、組織內(nèi)液傳感器和免疫傳感器。它們對(duì)應(yīng)的敏感材料分別為生物酶、微生物本體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織液、抗原和抗體。

2.2 根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類

根據(jù)生物傳感器的信號(hào)換能裝置可將其分為生物電極傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光電生物傳感器、壓電晶體生物換能傳感器等，這些轉(zhuǎn)換器依次可分為電化學(xué)導(dǎo)電電極、半導(dǎo)體電極、光電換能轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻電容轉(zhuǎn)換器以及壓電晶體轉(zhuǎn)換器等。

2.3 根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)與生物識(shí)別原件的相互作用分類

根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)與生物識(shí)別原件的相互作用的方式不同可將其分為生物物質(zhì)親和型生物傳感器、生物體代謝物質(zhì)型傳感器和生物物質(zhì)代謝催化型生物傳感器。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 食品工業(yè)的應(yīng)用

生物傳感器在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要包括食品原料成分確定、食品添加劑的定性定量、食品中有毒有害物質(zhì)檢測(cè)、食品新鮮度的測(cè)定以及食品物理特性的分析研究。魚降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磷酸肌苷、肌苷和次黃嘌呤，用生物傳感器可以快速準(zhǔn)確地判斷魚的鮮度。黃曲霉毒素是威脅人類健康的一大毒素，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法檢測(cè)周期長(zhǎng)，并可能對(duì)檢測(cè)人員造成威脅。可以用枯草桿菌制劑制成的微生物傳感器對(duì)黃曲霉毒素中的B1進(jìn)行檢測(cè)，其檢出限為0.8?g/mL，可以在一分鐘內(nèi)完成檢測(cè)，并且不需要人體長(zhǎng)時(shí)間近距離接觸，因此安全性極高。此外，還可以用類似的傳感器對(duì)蓖麻毒素、肉毒桿菌毒素B、葡萄球鏈球菌等毒素進(jìn)行檢測(cè)。

農(nóng)藥以及化肥殘留重金屬離子也是威脅食品安全的幾大因子，也可以用生物傳感器對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)，從而確保食品安全。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

近幾年，環(huán)境污染越來(lái)越厲害，對(duì)人類的生產(chǎn)生活造成了很大的影響。人們希望能有一種對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行快速持續(xù)檢測(cè)的設(shè)備，生物傳感器滿足了人們這方面的要求。大氣中的二氧化硫是形成酸雨的最主要原因，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要異常復(fù)雜繁瑣，并且受檢測(cè)周圍環(huán)境的影響比較大。現(xiàn)在已經(jīng)有人將亞細(xì)胞類脂類物質(zhì)固定在乙酸纖維膜上，并和氧電極制成固定型的生物傳感器，對(duì)酸雨、霧霾、酸霧等樣品可以進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析。

3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。生物傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究和臨床試驗(yàn)診斷提供了一種快速簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠的方法，并且由于其專一性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快速等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中也有很廣袤的應(yīng)用前景。

在臨床診斷中，生物酶電極傳感器是最早研發(fā)投入使用的一種傳感器。利用具備不同特征的微生物替代酶，可制成微生物酶?jìng)鞲衅?。在生物醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素進(jìn)行及時(shí)快捷的檢測(cè)是預(yù)防生化物質(zhì)危害的有效措施。生物傳感器已經(jīng)應(yīng)用于多種細(xì)菌、病毒、毒素、抗原和抗體等的檢測(cè)。

3.4 發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用

發(fā)酵產(chǎn)品中包含非常豐富的物質(zhì)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法以化學(xué)法為主，它周期長(zhǎng)、工作冗雜繁瑣、效率低下，不能滿足現(xiàn)在發(fā)酵工業(yè)的檢測(cè)要求。因此，生物傳感器成為了一種新的選擇。生物傳感器被廣泛譽(yù)為發(fā)酵工廠中的智能眼睛，是近幾年來(lái)這個(gè)行業(yè)中不可或缺的新工具。現(xiàn)在可以用L-賴氨酸氧化酶固定在明膠基質(zhì)中與氧電極結(jié)合對(duì)L型賴氨酸進(jìn)行檢測(cè)。此外可以用谷氨酸脫羧酶對(duì)谷氨酸進(jìn)行脫羧，CO2電極制成的生物傳感器能快速測(cè)定谷氨酸。我國(guó)山東省生物研究所研制出的谷氨酸快速測(cè)定儀，已經(jīng)在行業(yè)中普及應(yīng)用。目前至少已知有9種氨基酸可以用生物酶電極傳感器來(lái)進(jìn)行快速測(cè)定。

3.5 信息安全的應(yīng)用

面對(duì)信息快速發(fā)展的今天，信息安全成為了人們關(guān)注的頭等大事，面對(duì)黑客攻擊、病毒侵害，傳統(tǒng)的方法是安裝防火墻、系統(tǒng)升級(jí)、設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限等手段，然而沒有一種非常有效的手段可以完全防止病毒的攻擊?，F(xiàn)在新型生物傳感器可以用于信息安全，比如智能手機(jī)上的指紋識(shí)別技術(shù)、門禁系統(tǒng)上的面部識(shí)別技術(shù)、虹膜識(shí)別技術(shù)等都是將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行一系列快速的處理。這種生物傳感器技術(shù)安全、穩(wěn)定、快速、高效，已成為信息安全領(lǐng)域中不可缺少的應(yīng)用技術(shù)。

4 前景與展望

隨著生命科學(xué)、材料科學(xué)、微電子處理技術(shù)、信息科學(xué)等的發(fā)展，未來(lái)的生物傳感器將會(huì)具備以下四種特點(diǎn)：

4.1 功能多樣化

未來(lái)的生物傳感器將會(huì)深度涉及醫(yī)療衛(wèi)生保健、疾病診斷治療、食品安全檢測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)、氣候變化追蹤、發(fā)酵工業(yè)以及軍事國(guó)防、民用等各個(gè)領(lǐng)域。

4.2 便攜化

隨著加工工藝和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，生物傳感器將會(huì)越來(lái)越微型化，各種體積小、功能強(qiáng)大的生物傳感器的出現(xiàn)，使得人們能夠在家中進(jìn)行疾病的診斷，在超市中和市場(chǎng)上能夠直接檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留。

4.3 高度智能和集成化

未來(lái)的生物傳感器必定與各種計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合起來(lái)，自動(dòng)采集分析所需的各種數(shù)據(jù)，更科學(xué)快速精準(zhǔn)地提供分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理、結(jié)果呈現(xiàn)的一條龍，形成分析檢測(cè)的全自動(dòng)化。同時(shí)芯片技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地進(jìn)入到新型傳感器領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的集成一體化。

4.4 高靈敏度化

生物傳感器已經(jīng)發(fā)展幾十年了，但是目前為止，很多傳感器靈敏度不高，分析誤差比較大，結(jié)果可信賴度低，因此隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)生物傳感器靈敏度將會(huì)更高，使得結(jié)果能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：張李建（1990-），男，河南周口人，河南工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向：通信信號(hào)處理。

（責(zé)任編輯：陳 潔）